Tutorías con Grupos Reducidos (TGR) Parte 5: Memoria Virtual

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1 Tutorías con Grupos Reducidos (TGR) Parte 5: Memoria Virtual ESTRUCTURA DE COMPUTADORES Grupo de Arquitectura de Computadores (GAC) Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 / 43

2 Índice Introducción 2 Sistemas paginados 3 Sistemas segmentados 4 Sistemas segmentados con paginación 5 Ejercicios Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 2 / 43

4 Memoria Virtual Gestión de memoria automática que da al programador la ilusión de que su espacio de direccionamiento no está limitado por el espacio de memoria principal reservado a su programa (espacio físico), sino por el rango de direcciones que permite el sistema (espacio virtual). 2 Espacio virtual: Conjunto de direcciones que puede direccionar un proceso. 3 Espacio físico: Espacio de memoria principal reservado para el proceso. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 4 / 43

5 Organización Los sistemas de memoria virtual agrupan las direcciones virtuales en bloques. 2 Estos bloques son las unidades de: Transferencia de información entre la memoria secundaria y la principal. 2 Traducción (sólo se traduce el número de bloque). Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 5 / 43

6 Clasificación Sistemas Paginados: bloques del mismo tamaño llamados páginas. 2 Sistemas segmentados: los bloques o segmentos son de tamaño distinto. 3 Sistemas segmentados con paginación: los bloques (segmentos) son de tamaño desigual pero múltiplo de un tamaño unidad (página). Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 6 / 43

8 Sistemas paginados Tanto el espacio virtual como el físico se dividen en bloques de un tamaño fijo P, potencia de 2, llamados páginas. 2 Las direcciones quedan divididas en dos campos: Número/Nivel de página. 2 Desplazamiento. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 8 / 43

9 TLB:Translation-lookaside Buffer El TLB almacena los pares (página virtual, página física) más recientemente referenciados junto con los bits de gestión que se requieran. 2 Su éxito está justificado por el principio de localidad. 3 Tamaño típicos de la TLB: 32 a 52 entradas. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 9 / 43

10 Algoritmo de carga y reemplazamiento Carga bajo demanda: La página virtual se carga en la memoria principal cuando es referenciada y produce un fallo de página. Método simple y no sobrecarga el canal de paginación. 2 Precarga: Ante un fallo de página, se carga en memoria principal la página fallada junto con otra/s adicional/es. Método predictivo: se intenta precargar páginas que son susceptibles de ser referenciadas en un futuro próximo. Algoritmo de reemplazo: controlado por el S.O. (LFU, NUR...) Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 0 / 43

11 Inconvenientes Las páginas tienen un tamaño fijo y arbitrario: no tienen relación con la estructura lógica del programa. Puede haber datos en una página no relacionados con los demás. Ineficiencia por el principio de localidad. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 / 43

13 Sistemas segmentados Sistema de memoria virtual que considera bloques o segmentos de tamaño desigual. 2 Los bloques se definen en función de la estructura lógica del código y datos del programa (procedimientos, funciones, arrays, matrices). 3 La mayoría de la características (conceptos) de los sistemas segmentados son similares a las de los sistemas paginados. Nota: El algoritmo de reemplazamiento es más complejo Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 3 / 43

14 Sistemas segmentados Sistema de memoria virtual que considera bloques o segmentos de tamaño desigual. 2 Los bloques se definen en función de la estructura lógica del código y datos del programa (procedimientos, funciones, arrays, matrices). 3 La mayoría de la características (conceptos) de los sistemas segmentados son similares a las de los sistemas paginados. Nota: El algoritmo de reemplazamiento es más complejo Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 3 / 43

15 Fallos de segmento Es necesario determinar si hay espacio de memoria principal para ubicar el segmento virtual fallado (este problema no existe en los sistemas paginados). Lista de segmentos reservados. Lista de segmentos libres (LAVS), normalmente en orden ascendente de su posición. 2 Algoritmos de ubicación: first-fit, best-fit, worst-fit, binary-buddy. 3 Si no hay segmentos disponibles: compactación o reemplazo. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 4 / 43

17 Sistemas segmentados con paginación Hoy en día pocos sistemas utilizan segmentación pura debido a los problemas para efectuar los reemplazos. 2 Enfoque híbrido: segmentos paginados. 3 Simplifica el reemplazo: no se precisa que la memoria de un segmento sea contigua y no es preciso cargar los segmentos enteros en memoria. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 6 / 43

19 Ejercicio 2 Enunciado: Considera un computador con memoria virtual paginada con un esquema de traducción directa en un nivel, donde el espacio virtual es de 28MB, el espacio físico es de MB y el tamaño de página es de 4KB. Qué tamaño en bytes tiene la tabla de páginas si esta contiene la información mínima para hacer la traducción (no hay ningún bit de control)? Halla el tamaño de las páginas si queremos que la tabla de páginas ocupe sólo KB. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 8 / 43

20 Ejercicio 2 Solución (planteamiento): V = 28MB = 2 27 bytes = 27 bits dirección virtual. M = MB = 2 20 bytes = 20 bits dirección física. Páginas de 4KB = 2 2 bytes = 2 bits de desplazamiento. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 9 / 43

21 Ejercicio 2 Solución (a): Tamaño TP = Número de páginas virtuales Tamaño entrada = = 227 bytes de espacio virtual 2 2 bytes/página log 2 ( 220 bytes de espacio físico 2 2 ) = bytes/página = 2 5 entradas 8 bits/entrada = 2 5 bytes = 32 KB Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

22 Ejercicio 2 Solución (b): ( ) ( ) p entradas log 2 2 p ( ) bits/entrada 2 3 bytes/bit = 2 0 B ( ) ( ) p log 2 2 p = 2 (4 p) (20 p) = p=6 = 2 p = 2 6 = 64KB Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 2 / 43

23 Ejercicio 3 Enunciado: Supongamos un computador con un espacio virtual de 64 bytes, una memoria principal de 32 bytes y un tamaño de página de 8 bytes. El computador utiliza un esquema de memoria virtual paginada con traducción en un nivel, con el auxilio de una TLB de tres entradas. El algoritmo de reemplazo de las páginas físicas y de las entradas de la TLB es de tipo FIFO. El sistema también posee una memoria caché de 8 bytes, organizada por conjuntos. En concreto dispone de dos conjuntos con dos líneas por conjunto. Dentro de cada conjunto se utiliza un algoritmo de reemplazo de tipo LRU. Si el procesador emite lista de direcciones virtuales mostrada, indicar y explicar cómo evoluciona la tabla de páginas, el TLB y el directorio caché partiendo de la situación inicial indicada en la figura siguiente: Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

24 Ejercicio 3 Enunciado: Referencias: D, 2,C, 0C, 5 y 2A Tabla de paginas R Pag. Fis TLB Pag. Virt. Pag. Fis Cache LRU V DC ZA 000 Conjunto 0 00 LRU V DC ZA 0 00 Conjunto 0 Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

25 Ejercicio 3 Solución (planteamiento): V = 64 bytes = 6 bits de dirección virtual. M = 32 bytes = 5 bits de dirección física. Páginas de 8 bytes = 3 bits de desplazamiento. 6 3 = 3 bits para indexar la tabla de páginas. 5 3 = 2 bits para el número de página física. Caché de 8B asociativa por conjuntos de 2 vías con 2 conjuntos = líneas de 2B. bit para seleccionar el byte, bit para seleccionar el conjunto, 3 bits de etiqueta. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

26 Ejercicio 3 Solución (Estado tras el primer acceso D): Tabla de paginas R Pag. Fis TLB Pag. Virt. Pag. Fis Conjunto 0 Conjunto Cache LRU V DC ZA 0 LRU V DC ZA Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

27 Ejercicio 3 Solución (Estado tras el segundo acceso 2): Tabla de paginas R Pag. Fis TLB Pag. Virt. Pag. Fis Conjunto 0 Conjunto Cache LRU V DC ZA LRU V DC ZA Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

28 Ejercicio 3 Solución (Estado tras el tercer acceso C): Tabla de paginas R Pag. Fis TLB Pag. Virt. Pag. Fis Conjunto 0 Conjunto Cache LRU V DC ZA 0 LRU V DC ZA Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

29 Ejercicio 3 Solución (Estado tras el cuarto acceso 0C): Tabla de paginas R Pag. Fis TLB Pag. Virt. Pag. Fis Conjunto 0 Conjunto Cache LRU V DC ZA LRU V DC ZA Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

30 Ejercicio 3 Solución (Estado tras el quinto acceso 5): Tabla de paginas R Pag. Fis TLB Pag. Virt. Pag. Fis Conjunto 0 Conjunto Cache LRU V DC ZA 0 LRU V DC ZA Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

31 Ejercicio 3 Solución (Estado tras el sexto acceso 2A): Tabla de paginas R Pag. Fis TLB Pag. Virt. Pag. Fis Conjunto 0 Conjunto Cache LRU V DC ZA 0 0 LRU V DC ZA Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

32 Ejercicio 4 Enunciado: Un computador tiene un esquema de memoria virtual paginada en dos niveles direccionable a nivel de byte. Tanto la tabla de páginas del primer nivel como las del segundo tienen la misma estructura: caben exactamente en una página y constan de 28 entradas de 6 bits, siendo el bit más significativo el de residencia y los 8 menos significativos el número de página física. Además, la tabla de páginas del primer nivel se encuentra siempre residente en la última página física. El computador tiene una caché de 4KB indexada por direcciones físicas y líneas de 4 bytes en la que cada entrada del directorio caché consta de un bit de validez más la etiqueta de la línea correspondiente. El tamaño total del directorio caché es de KB. Sabiendo que el byte de la página física X con desplazamiento Y contiene el valor (X+Y) mod 256; indica: Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 3 / 43

33 Ejercicio 4 Enunciado: a) Tamaño del espacio virtual y del espacio físico. b) Dirección física correspondiente a la dirección virtual 45A. c) Indica el tamaño de los campos en que se divide la dirección física desde el punto de vista de la caché y cuántas líneas tiene cada conjunto de la misma. d) Si esta caché tuviera una tasa de fallos del 0 %, un tiempo de acierto de 2ns y su tiempo medio de acceso fuera de 5ns, Cuál sería su penalización de fallo? Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

34 Ejercicio 4 Solución (planteamiento): 28 entradas = log 2 (28) = 7 bits para indexar la entrada. 28 entradas 2B = 256B por página. 256B por página = log 2 (256) =8 bits para el desplazamiento. Dirección virtual: Dirección física: Número PV TP TP2 Δ 7 bits 7 bits 8 bits PF Δ 8 bits 8 bits Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

35 Ejercicio 4 Solución (a): V = 2 22 bytes = 4MB espacio virtual. F = 2 6 bytes = 64KB espacio físico. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

36 Ejercicio 4 Solución (b): Descomposición de la dirección 45A: TP TP2 Δ ( ) 2 = 0 6 (00000) 2 = 4 6 (0000) 2 = 5A 6 La última página física es la 255 (FF ), entonces la dirección FF 00 contiene según el enunciado: Dirección FF00 FF0 Contenido FF 00 Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

37 Ejercicio 4 Solución (b): En el segundo nivel el índice (00000) 2 = 4 6 nos lleva, con entradas de 2B, a 00 82: Dirección Contenido Número de página física (83 6 ) + desplazamiento (5A 6 ) = 835A Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

38 Ejercicio 4 Solución (c): Líneas caché = 4096 bytes 4 bytes/línea = 024 Descomposición de la dirección en la caché: Líneas por conjunto = Etiqueta Índice Δ 7 bits 7 bits 2 bits 024 líneas 28 conjuntos = 8 líneas Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

39 Ejercicio 4 Solución (d): TMA = Tiempo de acierto + Tasa de Fallos Penalización de fallo 5ns = 2ns + 0/00 PF PF = (5 2)ns 0, = 30 ns Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

40 Ejercicio 5 Enunciado: Un computador con una memoria física de 4 MB tiene un espacio virtual segmentado con un esquema de traducción directa de un nivel que es direccionable a nivel de byte. El sistema permite ubicar los segmentos a partir de cualquier posición arbitraria en memoria física y no hay un tamaño mínimo para los segmentos. La tabla de segmentos ocupa exactamente 6 KB. Cada entrada tiene una longitud de 6 bytes. Los bits de control y protección (no incluyen la longitud del segmento) son los 6 bits más significativos de cada entrada, siendo en concreto el bit de residencia el más significativo. Tras ellos sigue la longitud del segmento. Finalmente, la dirección del segmento en memoria física se encuentra en los bits menos significativos de cada entrada. El registro base de la tabla de segmentos (RBTS) es 0 y la posición de memoria X contiene el valor (X + 2) mod 256. Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

41 Ejercicio 5 Enunciado: a) Determina el tamaño del espacio virtual. b) Calcula la dirección física asociada a la dirección virtual 0x Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

42 Ejercicio 5 Solución (a): 6KB/6B = 024 entradas en la tabla de segmentos 2 0 segmentos = 0 bits para identificar el segmento 4MB = 22 bits dirección física Entrada en la tabla de segmentos (6B = 48bits): Control Longitud Dir. Base 6 bits 20 bits 22 bits 0 bits de número de segmento virtual + 20 bits de desplazamiento dentro del segmento = 2 30 bytes = GB Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/202 4 / 43

43 Ejercicio 5 Solución (b): Descomposición de la dirección virtual: Núm SV Δ Dirección de la entrada para el segmento: = 80 Contenido de la memoria a partir de 0x80: Dirección Contenido Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43

44 Ejercicio 5 Solución (b): Descomposición del contenido de la entrada: Longitud Dir. Base A0E Dirección buscada: = 0D9B9D Dyer Rolán García (GAC) Memoria Virtual Curso 20/ / 43